一種新型多目標(biāo)串聯(lián)型短路限流控制器的研究

摘要：提出一種串聯(lián)型短路限流控制器，采用背靠背換流器與限流電抗器串聯(lián)的方式，在系統(tǒng)未發(fā)生短路故障時，背靠背換流器可以實現(xiàn)電壓補(bǔ)償、諧波抑制等功能，當(dāng)發(fā)生短路時，將換流器切出，使短路限流電抗器工作。分析了電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制原理，采用完全補(bǔ)償法對電壓進(jìn)行補(bǔ)償，采用電源電流檢測法濾除系統(tǒng)中的諧波，然后用PSCAD進(jìn)行了仿真和實驗驗證。
關(guān)鍵詞：控制器；短路限流；串聯(lián)型；電壓補(bǔ)償

1 引言
    很多破壞電力系統(tǒng)正常運行的情況是由短路故障引起的。隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增加，電網(wǎng)中的短路電流問題也隨之增多，因而限制電力系統(tǒng)短路電流已成為一個急需解決的問題。由于電力電子技術(shù)及大容量電力電子器件的快速發(fā)展，電力電子短路限流器(FCL)是限制短路電流一個較有效手段。它具有動作速度快、允許動作次數(shù)多、控制方便等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。
    這里將短路限流控制裝置和限流電抗器串聯(lián)后接在電源和負(fù)載之間，在系統(tǒng)正常運行時，換流器用于補(bǔ)償限流電抗器產(chǎn)生的電壓降，并抑制電抗器和負(fù)載產(chǎn)生的諧波，同時可消除電壓暫升、電壓暫降及三相不平衡等問題，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時將控制裝置切出，此時限流電抗器起到了限制短路電流的作用。

2 原理與設(shè)計
2．1 主電路拓?fù)?br />     圖1為限流電抗器串聯(lián)FCL控制器主電路拓?fù)?。電網(wǎng)側(cè)電壓經(jīng)3個單相FCL控制器，單相FCL控制器由單相PWM整流器和單相逆變器組成。
單相PWM整流器輸出的直流電壓作為3個單相逆變器的直流電源，逆變器的輸出補(bǔ)償由限流電抗器和負(fù)載產(chǎn)生的壓降和諧波。L1，L2，L3為限流電抗器；G1，G2，G3為用于切出換流器的雙向晶閘管；K1，K2，K3用于切出整個裝置。

2．2 單相PWM整流器的控制策略
    PWM整流器具有輸入電流諧波含量低，功率因數(shù)高、體積小、重量輕等特點。其控制策略為：將實際直流側(cè)電壓Ud與給定期望值Uref作差，所得結(jié)果經(jīng)PI控制器，其輸出量乘以交流電壓信號的單位量sinA，之后得到電流iref，與電感電流ia作差經(jīng)PI控制器，保證了電感電流跟蹤輸入電壓，最后產(chǎn)生的調(diào)制信號與三角波載波信號比較控制得到IGBT模塊的驅(qū)動信號。
2．3 單相逆變器控制策略
    逆變器控制分2部分，首先是對電壓的跟蹤控制，即逆變器的輸出電壓補(bǔ)償因限流電抗器和負(fù)載產(chǎn)生的電壓降落和無功損耗，然后是抑制系統(tǒng)中的諧波，即起到串聯(lián)APF的作用，最后將上述兩個調(diào)制信號進(jìn)行疊加作為逆變器給定電壓參考量與逆變器的實測電壓作差經(jīng)比例積分控制，保證了逆變器電壓跟蹤參考電壓，最后與三角波載波信號比較控制得到IGBT模塊的驅(qū)動信號。
2．3．1 電壓降落的動態(tài)跟蹤控制
    目前對于電壓降落的補(bǔ)償方式主要有同相補(bǔ)償、完全補(bǔ)償、最小能量補(bǔ)償這3種控制策略。這里采用完全補(bǔ)償法。該方法可使補(bǔ)償后的負(fù)載電流與理想?yún)⒖茧妷旱姆岛拖辔痪嗤磳崿F(xiàn)了負(fù)載電壓的連續(xù)性，在裝置容量足夠大時，它是一種理想的補(bǔ)償方法。
    短路限流控制器與限流電抗器串聯(lián)于系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生暫降或暫升，且此時假設(shè)負(fù)載為阻感的，則在系統(tǒng)中不存在諧波影響，那么可將該拓?fù)浜喕?，如圖2所示。

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    當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生暫降或暫升，可得如圖3a所示相量圖。由于各物理量均隨時間變化，該控制方法也是動態(tài)的，以期望的參考電壓相量uref為基準(zhǔn)，由于無暫降或暫升，因此電源電壓相量us與uref重合，其中φLx為uLx與us夾角，由完全補(bǔ)償法原理知，uL與us幅值和方向均相同，故圖4a的四邊形為平行四邊形，于是可得補(bǔ)償電壓Ucom=-uLx。
    為使控制更加精確，可令△U=Us-UL，對上式加以修正，其中Us，Ucom，ULx，UL分別為us，ucom，uLx，uL的幅值，則可得逆變器輸出的補(bǔ)償電壓為：
    Ucom=-ULx+△U，φcom=-φLxh+π       (1)
    當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，如圖3b所示，由完全補(bǔ)償法原理可知，uL與us的幅值和方向均相同，為計算補(bǔ)償電壓的大小，可設(shè)中間量um的有效值為Um，補(bǔ)償電壓相量的大小和角度的推導(dǎo)為：
    φk=π-φs-φLx     (2)
   

2．3．2 檢測電源電流控制法
    通過第一步控制方法后，負(fù)載側(cè)電壓雖得到了補(bǔ)償，且效果很好，但是當(dāng)系統(tǒng)加入非線性負(fù)載時，電流波形畸變非常嚴(yán)重，因此考慮用檢測電源電流控制法對電流諧波進(jìn)行濾除，如圖4所示。

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    通過瞬時無功理論檢測出電網(wǎng)諧波電流ish，然后與控制增益K相乘形成ux，即ux=Kish，理論上K值很大(但為有限值)，使系統(tǒng)中對諧波呈高阻抗特性，從而可以隔離諧波電壓源，抑制電網(wǎng)上的諧波電流。若在系統(tǒng)中提供無源濾波器支路，該支路對諧波呈現(xiàn)低阻抗特性，可抑制諧波電流對電網(wǎng)側(cè)的影響。圖5為該部分控制原理。

3 仿真結(jié)果與分析
    采用PSCAD對所述控制方法進(jìn)行仿真，參數(shù)為：220 V／50 Hz三相交流電壓源，1 mH限流電抗器，線性負(fù)載為阻感負(fù)載，其中電感為0．1 mH，電阻為10 Ω，交流側(cè)輸入電感為1 mH，直流側(cè)穩(wěn)壓電容為1 000μF。圖6示出仿真波形。

    由圖6a可知，控制中做選擇的直流電壓參考值為0．5 kV，可見0．5 s后直流電壓在0．5 kV上基本保持恒定；由圖6b可見，uL很好地跟蹤了us；由圖6c可見，雖然iLa畸變很大，但ia仍保持為正弦波；由圖6d可見，在0．2～0．3 s時，系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降，但uL仍可保持為預(yù)期的usag，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
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4 實驗結(jié)果分析
4．1 DSP／FPGA控制器
    此處裝置控制器由DSP，F(xiàn)PGA和CPLD等構(gòu)成，其中DSP模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的處理，與上位機(jī)(人機(jī)交互系統(tǒng))的通訊，與下層結(jié)構(gòu)(FPGA)的數(shù)據(jù)交換：FPGA模塊完成電壓、電流等各變量采樣，及各變量的邏輯運算并上傳數(shù)據(jù)給上層結(jié)構(gòu)DSP；CPLD負(fù)責(zé)直接采集功率單元(IGBT模塊)的各項數(shù)據(jù)和指標(biāo)，如死區(qū)產(chǎn)生、溫度信號采集、IGBT過壓過流保護(hù)等。圖7為基于DSP和FPGA構(gòu)成的主控結(jié)構(gòu)框圖。

4．2 實驗分析
    首先用該裝置進(jìn)行了電壓暫降實驗，由于三相是對稱的，下面僅對a相進(jìn)行研究，結(jié)合電壓擾動發(fā)生裝置使系統(tǒng)電壓在0．1～0．3 s發(fā)生電壓暫降，并通過上述控制策略進(jìn)行控制。圖8a示出實驗波形。由圖可見，雖然usag發(fā)生了電壓暫降，但是由于裝置的補(bǔ)償uL仍然保持220V。

    用該裝置進(jìn)行了短路電流限制實驗。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，電壓補(bǔ)償裝置補(bǔ)償系統(tǒng)電壓到額定電壓Uo=220V，iL約為10A。工作一段時間后，使負(fù)載側(cè)發(fā)生短路，系統(tǒng)會有較大電流通過。設(shè)定電流互感器檢測系統(tǒng)電流超過30A時，裝置脈沖閉鎖，同時雙向晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，旁路補(bǔ)償裝置，投入限流電抗器實施限流其中限流電抗器選擇8．5mH。
    由實驗波形可見，當(dāng)短路故障發(fā)生時，iL增大，裝置延遲半個工頻周期推出運行，雙向晶閘管代替裝置工作，之所以延遲半個周期是因為晶閘管驅(qū)動板具有10 ms延時時間。對比圖8b上、下波形可知，負(fù)載側(cè)電流在加入限流電抗器之后明顯減小，從而達(dá)到短路電流限制的作用。

5 結(jié)論
    提出一種新型短路限流控制器，將該控制裝置與短路限流電抗器串聯(lián)于電路之中，當(dāng)發(fā)生短路時，將控制器切除，用限流電抗器實現(xiàn)限流作用，這里著重討論了當(dāng)發(fā)生短路時控制裝置的控制策略，用完全電壓補(bǔ)償法實現(xiàn)了對電壓降落的補(bǔ)償，討論了在系統(tǒng)發(fā)生暫降時電壓的補(bǔ)償策略，然后研究了對系統(tǒng)中諧波的抑制，運用電源電流控制法濾除系統(tǒng)中的諧波，最后用PSCAD對所研究的控制方法進(jìn)行了仿真和實驗，結(jié)果實現(xiàn)了電壓的補(bǔ)償和諧波的抑制功能。